一種管土動態(tài)耦合作用分析方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種管土耦合作用的研究方法，更具體的說，本發(fā)明涉及一種研究管 道結構與海床土體動態(tài)耦合作用的分析方法。 技術背景
[0002] 近年來，隨著人們逐漸加大對海洋資源的開采和利用，海底管道、懸鏈線立管等管 道結構在海洋工程中得到越來越廣泛的應用。
[0003] 所述的海底管道能夠高效快速的將海底油井產(chǎn)出的石油、天然氣等能源物質運送 到陸地上，具有安裝方便、造價低廉、高效運輸?shù)葍?yōu)點，是海底油氣資源運輸?shù)闹饕b置，也 是海底能源系統(tǒng)的大動脈。但由于起伏不平的海底地勢和海底洋流的沖刷作用，易使海底 管道出現(xiàn)懸跨現(xiàn)象，尤其是在外界來流的作用下，懸跨的海底管道很容易發(fā)生渦激振動，從 而造成嚴重的結構疲勞破壞。由于懸跨管道的兩端由海床土體支撐，而海床土體又對管道 的運動具有約束作用，海床土體越堅硬，對懸跨管道運動的約束條件越強烈。當海底管道來 回運動壓縮海床土體時，就會使海床土體的性質發(fā)生改變。如此，海底管道的運動會對海床 土體產(chǎn)生影響，而海床土體又會對海底管道的運動產(chǎn)生影響，也就是說，海底管道和海床土 體之間存在著較強的動態(tài)耦合作用。
[0004] 所述的懸鏈線立管在海洋工程領域中應用非常廣泛，它一端連接海上平臺，另一 端連接海底油井，將油井產(chǎn)出的石油和天然氣運輸?shù)胶Ｉ掀脚_，同時還可以對浮式采油平 臺進行定位。由于其本身重力的作用，懸鏈線立管成拋物線形，在與海底接觸時會有一段較 長的觸地區(qū)域。懸鏈線立管會受到波浪、海流和海上平臺的作用而發(fā)生運動，當運動傳遞到 海底觸地區(qū)域時，亦會出現(xiàn)管道結構和海床土體的動態(tài)耦合作用。
[0005] 可見，所述的海底管道、懸鏈線立管等海洋管道結構，均會涉及到管道與海床土體 之間的動態(tài)耦合作用。
[0006] 當管道結構受到外力作用而發(fā)生運動時，會對支撐它的海床土體產(chǎn)生影響，以至 使海床土體的性質發(fā)生改變。
[0007] 當管道向下運動擠壓管道溝槽中的海水時，會使溝槽壁面的土體因海水的沖擊作 用而發(fā)生脫落。此外，溝槽中的海水受到管道的擠壓也會混合著部分海床土體被擠出溝槽。
[0008] 當管道向上運動離開溝槽時，部分海床土體因土體的黏性而被管道黏帶著向上運 動，進而脫離原來的土體。
[0009] 由于管道的循環(huán)運動會造成管道溝槽不斷的加深、加寬，海床土體的剛度也會隨 之出現(xiàn)衰減現(xiàn)象。反過來，海床土體支撐著管道結構，對管道結構的運動具有約束作用，海 床土體性質的改變就會對運動管道產(chǎn)生重要影響?？傊?，管道結構和海床土體之間既相互 作用，又相互影響，具有較強的動態(tài)耦合作用。
[0010] 現(xiàn)有技術對于管土動態(tài)耦合作用做了大量的簡化，在對其分析研究中，一般是采 用線性彈簧或者非線性彈簧模擬海底土體對管道結構的作用，卻并未考慮到海底土體的特 性、管道結構的特性和管道結構與海底土體相互作用的特性，比如：海底土體的抗剪強度、 土體吸附效應、管道結構表面粗糙度、管道溝槽形狀和土體非線性滯后現(xiàn)象等等。

【發(fā)明內容】

[0011] 本發(fā)明的目的就是彌補現(xiàn)有技術的缺陷，并提供一種管土動態(tài)耦合作用分析方 法。該方法考慮了海底泥面土體不排水抗剪強度和土體不排水抗剪強度垂向增量，還考慮 了管溝形狀、管道結構表面粗糙度以及土體非線性滯后效應等影響因素，從而改進了現(xiàn)有 技術對管土動態(tài)耦合作用的分析方法，使管土動態(tài)耦合作用分析結果與實際情況更加吻 合，提高了管土動態(tài)耦合作用分析結果的可靠性。
[0012] 本發(fā)明的技術方案是：
[0013] -種管土動態(tài)耦合作用分析方法，采用了同時考慮土體剛度作用和土體阻尼作用 的管土動態(tài)耦合作用分析模型：
[0014] a) 土體剛度作用：
[0015] fk= ksoll · y
[0016] b) 土體阻尼作用：
[0017] = cSBi}； - J
[0018] 式中：fk 一土體對管道結構的剛度作用力；
[0019] kSMl-土體支撐剛度；
[0020] y-管道結構的位移；
[0021] f。一土體對管道結構的阻尼作用力；
[0022] Ck 一土體阻尼系數(shù)；
[0023] ?-管道結構的速度；
[0024] 根據(jù)管道結構嵌入土體的最大深度確定土體非線性遲滯環(huán)，其中包括管道結構回 彈階段、管道結構局部分離階段和管道結構再次回壓階段；
[0025] (1)管道結構回彈階段：
[0030] 式中：yi-管道結構嵌入土體的最大深度；
[0031] P1一最大土體作用力；
[0032] a-與管溝形狀和管道結構表面粗糙度有關的參數(shù)，由試驗獲得；
[0033] b-與管溝形狀和管道結構表面粗糙度有關的參數(shù)，由試驗獲得；
[0034] Suq-海底泥面土體不排水抗剪強度；
[0035] Sug-海底土體不排水抗剪強度垂向增量；
[0036] D-管道結構外徑；
[0037] P1 2-管道結構回彈階段土體作用力；
[0038] υ 一土體特性參數(shù)，由試驗獲得；
[0039] k〇 一土體特性參數(shù)，由試驗獲得；
[0040] P2一土體最大吸附力；
[0041] Φ 一土體特性參數(shù)，由試驗獲得；
[0042] J2一土體最大吸附力出現(xiàn)位置；
[0043] (2)管道結構局部分離階段：
[0046] 式中：P2 3-管道結構局部分離階段土體作用力；
[0047] y3-土體作用力消失點位置；
[0048] ⑦一土體特性參數(shù)，由試驗獲得；
[0049] (3)管道結構再次回壓階段：
[0051] 式中：P3 i-管道結構再次回壓時土體作用力；
[0052] 由于土體非線性遲滯環(huán)與管道結構嵌入土體的最大深度有關，根據(jù)管道結構的運 動情況，對管道結構嵌入土體的最大深度進行實時更新；
[0053] 又由于海床土體對管道結構的支撐剛度與管道結構所處的位置和運動方向有關， 故：
[0054] 當管道結構上升遠離土體，且管道結構位置處于71和y 2之間時，土體支撐剛度 為：
[0056] 當管道結構上升遠離土體，且管道結構位置處于72和y 3之間時，土體支撐剛度 為：
[0058] 當管道結構下降壓縮土體，且管道結構位置處于71和73之間時，土體支撐剛度 為：
[0060] 其它狀態(tài)下，土體支撐剛度均為零；
[0061] 土體阻尼系數(shù)可以根據(jù)下式確定： CN 105184102 A 兄明十ι 4/7 頁
[0065] 式中：cSMl-土體阻尼系數(shù)；
[0066] kSMl-線性化的土體支撐剛度；
[0067] ω -響應t旲態(tài)的圓頻率；
[0068] EDlssipated-土體吸附的彈性勢能；
[0069] EElastic一土體阻尼消耗的能量。
[0070] 本發(fā)明的分析方法克服了現(xiàn)有技術的不足，其有益效果在于：
[0071] 考慮了海底泥面土體不排水抗剪強度和土體不排水抗剪強度垂向增量以及管溝 形狀、管道結構表面粗糙度和土體非線性滯后效應等多種因素的影響，根據(jù)管道結構所處 的位置和運動方向確定海床土體對管道結構的支撐剛度和土體阻尼系數(shù)，同時根據(jù)管道結 構的運動情況對管道結構嵌入土體的最大深度進行實時更新，從而建立了一種新的管土動 態(tài)耦合作用分析方法，解決了管道結構和海床土體的動態(tài)耦合作用問題，為海底管道、懸鏈 線立管等管道結構與海床土體之間動態(tài)耦合作用提供了有效的分析途徑和可靠的理論依 據(jù)。
【附圖說明】
[0072] 圖1為本發(fā)明方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0073] 為了使本發(fā)明的優(yōu)點和特征更容易被清楚理解，下面結合附圖和實施例對其技術 方案作以詳細說明。
[0074] 本領域技術人員周知，海床土體由氣相、液相和固相三相物質組成，不同海域不同 深度的土體往往具有不同的性質；另外，海床土體還具有較強的非線性，受到外力作用會發(fā) 生彈性變形和塑性變形。這些因素使得管道結構和海床土體之間的耦合作用更加復雜，而 海底管道、懸鏈線立管等相類似的管道結構在外力的作用下發(fā)生運動，最容易在管道結構 與海床土體接觸的區(qū)域內出現(xiàn)疲勞破壞。傳統(tǒng)方法對海床土體進行了簡化，采用線性彈簧 或者非線性彈簧模擬海床土體對管道的作用，并未考慮到海床土體的特性、管道結構的特 性以及管道結構和海床土體之間的耦合特性，致使理論分析計算的結果與實際情況相差較 大。因此，在工程應用中，需要預留較大的安全余量才能夠滿足實際需要。
[0075] 本發(fā)明則考慮了海底泥面土體不排水抗剪強度、土體不排水抗剪強度垂向增量以 及管溝形狀、管道結構表面粗糙度和土體非線性滯后效應等多種影響因素，并為此提出了 同時考慮土體剛度作用和土體阻尼作用的管土動態(tài)耦合作用分析方法（參照附圖）：
[0076] a) 土體剛度作用：